斜井冻结技术在庞庞塔矿千万吨项目部斜井施工中的应用

2012-11-19苏乐斌

中国煤炭工业 2012年7期

文/苏乐斌

冻结法凿井作为通过不稳定冲积层及邻近含水基岩的特殊凿井施工方法，一直是国内外矿井建设领域研究的热点之一。霍州煤电集团吕临能化公司庞庞塔矿千万吨项目地处山西省吕梁市临县境内，属河东煤田，井田地处晋西黄土高原。主副井均采用斜井开凿，主井倾角16°，一号副斜井倾角23°，二号副斜井倾角25°。一期工程施工前期，根据地质报告，在掘进过程中将穿过3 层砂砾石层，其涌水量最高可达303m3/h。同时还面临表土层和深厚砂砾石层、斜井倾角大、断面大等工程困难。经研究论证决定，在井筒施工过程中，为了保证施工安全与质量，特采取国内先进技术特殊凿井法（冻结法）施工井筒。

一、施工原理

斜井冻结凿井是利用传统的氨循环制冷技术来完成的。该技术是在井筒开挖之前，用人工制冷的方法，将井筒周围含水地层冻结成一个封闭的不透水的帷幕——冻结壁，用于抵抗地压、水压，隔绝地下水与井筒之间的联系。之后，在冻结壁的保护下进行掘砌施工。为形成冻结壁，首先在欲开挖井筒的周围打一定数量的冻结孔，孔内安装冻结器。低温盐水在冻结器中流动，吸收其周围地层之热量，形成冻结圆柱。冻结圆柱逐渐扩大并连接成封闭的冻结壁，直至达到设计厚度和强度为止，然后在其保护下进行掘砌施工，以便安全穿过含水地层。

二、冻结方案设计

结合地质报告，采用的冻结方式为分段造孔、分段冻结，分段开挖，分段拆除。现结合二号副斜井实际情况，介绍具体方案设计。

1.冻结深度的确定

二号副斜井净宽5.2m，净高4.5m，井壁厚度0.7m，掘进断面宽度为6.6m，高度为5.8m。

2.冻结技术参数的确定

根据二号副斜井井筒工程地质条件，冻结参数设定如表1 所示。

表1 二号副斜井冻结壁参数表

3.冻结孔布置

根据二号副斜井开挖断面尺寸、冻结壁厚度及地质资料等情况，综合各种因素确定冻结孔布置方式。冻结孔布置原则是：在满足冻结壁厚度达到设计要求的前提下，尽量少布置冻结孔，以减少钻孔施工工期。

冻结地面水平方向冻结范围为：井筒中心起101.843 ～204.822m，其水平长度为102.979m。冻结孔布置五排。即两排边孔AE；两排中间孔BD；一排中间孔C。其排间距为2.4m。两排边孔A E 共2×69 个，其深度为51.69～99.70m，其孔间距为1.514m；两排中间孔B D 共2×41 个，其深度为51.69 ～99.70m，其孔间距为2.574m；一排中间孔C共69 个，其深度为51.69～99.70m，其孔间距为1.514m。在冻结段开始端及距开端28.2 米处各增设一组4 个堵头孔，其深度为51.69m和65.68m。

所有冻结孔均采用局部冻结，其冻结范围为斜井顶板以上5.0m 至斜井底板以下3.0m，非冻结区域均进行隔温，隔温方法采用充填盐水方式。另外，为减少凿井过程中的冻结挖掘量，井筒断面内的冻结管改用Φ89mm无缝钢管，外进行保温和隔温处理，隔温管长度均为5.8 米（有效隔温长度5.5 米）。

4.冻结器设计

冻结管选用φ133×4.5mm 低碳钢无缝钢管，外管箍联接，采用充填盐水式进行局部冻结，内下两根φ50×5mm 塑料管作为供液管。

5.测温孔布置设计

按水平长30m/段布置2 个测温孔，本工程共布置8 个测温孔，布置冻结壁内部与冻结壁外侧位置。布置原则：布置在每段末端冻结壁内侧孔间距较大位置及冻结壁外侧较大孔间距界面位置。测温孔采用φ57×3.5mm 无缝钢管外管箍焊接，底端封实，管内不需灌水和试压，但不得渗漏水。

测温孔深度暂定为：64.10m/2 个、78.09m/2 个、92.08m/2 个、99.70m/2 个。测温孔位置应根据实际情况而定，测温孔数量根据冻结孔施工情况增加。

三、效果分析

实践证明，冻结法保证冻结施工安全的同时，缩短了冻结施工工期，节省了大量电力资源，避免了不必要的浪费。从开挖断面来看，冻结效果很好，无漏水及片帮现象。开挖过程中，冻结效果很好，冻土强度也很高，完全满足封水承压的条件。井帮迎头温度维持在-8℃～-10℃，左右帮温度基本维持在-8℃左右。顶板、底板、两帮冻结壁厚度和强度均满足设计要求。在满足冻结设计对于冻土强度要求的同时，井帮温度不致过低，有利于混凝土的凝固，节省了时间，提高了井筒掘进的效率。根据井下实测数据，砂砾石层冻结效果良好，稳定性好，没有片帮发生；粘土层稳定性稍差，暴露段表面温度回升较快，采取的措施是减小放空段，效果良好，没有片帮发生。